抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)與應(yīng)用

楊 武

（中電建海外投資（昆明）有限公司，云南 昆明 650000）

1 概述

電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)自動采集與處理，運行監(jiān)視，操作控制和負荷調(diào)節(jié)，事件順序記錄，事故、故障報警及記錄，自動發(fā)電控制（AGC），自動電壓控制（AVC），統(tǒng)計報表，操作培訓(xùn)等功能。電站計算監(jiān)控系統(tǒng)是電站自動控制、監(jiān)視和管理的核心，直接決定著電站的安全生產(chǎn)和高效運行，計算機監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)規(guī)劃好壞對抽水蓄能電站安全高效運行意義重大。

抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中承擔著調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、黑啟動、儲能、緊急事故備用等功能，機組工況復(fù)雜，啟停頻繁，操作控制要求比常規(guī)水電更高。弄清抽水蓄能電站的運行方式，控制要求，有利于規(guī)劃設(shè)計抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)控制流程。分析抽水蓄能電站與常規(guī)水電站的不同，有利于進一步完善抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)功能。

2 抽水蓄能電站運行方式

抽水蓄能電站啟停頻繁，工況復(fù)雜。一座4 臺機組的抽水蓄能電站，日啟?？蛇_10 多次，機組有發(fā)電、發(fā)電調(diào)相、抽水、抽水調(diào)相、停機5 種基本穩(wěn)態(tài)工況，另有靜止、空轉(zhuǎn)、空載3 種過渡穩(wěn)態(tài)，同時具備黑啟動、線路充電的能力。機組主要運行工況轉(zhuǎn)換有13 種（包含：停機→發(fā)電，發(fā)電→停機，停機→抽水，停機→發(fā)電調(diào)相，等），具體運行工況及工況轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖1 所示。其中抽水方向啟動有SFC、背靠背兩種啟動方式；抽水至發(fā)電轉(zhuǎn)換流程分為正常轉(zhuǎn)換和緊急轉(zhuǎn)換方式；各運行穩(wěn)態(tài)至停機包括正常停機、機械事故停機、電氣事故停機。

圖1 機組運行工況及工況轉(zhuǎn)換方式

3 對計算機監(jiān)控系統(tǒng)的特殊要求

抽水蓄能電站運行方式多、工況轉(zhuǎn)換復(fù)雜，監(jiān)控系統(tǒng)的測點將顯著增加；同時電力系統(tǒng)對抽水蓄能電站及時響應(yīng)性和可用性要求高，要求能夠隨調(diào)隨啟，即啟即用，對電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和操作成功率要求更高。

水泵工況的啟動方式一般采用SFC 變頻啟動方式或背靠背拖動方式，SFC 變頻啟動方式是使用電站靜止變頻啟動裝置，實現(xiàn)機組由停機態(tài)到水泵工況的啟動；背靠背拖動方式啟動是使用電站其中一臺機組發(fā)電工況開機啟動，拖動另外一臺機組由停機態(tài)到水泵工況的啟動方式。兩種啟動方式都要涉及電站2 臺設(shè)備同時啟動，計算機監(jiān)控系統(tǒng)需監(jiān)控的實時狀態(tài)、參數(shù)量成倍增長，設(shè)備動作邏輯繁復(fù)，增加了控制復(fù)雜性。在背靠背啟動方式時，要協(xié)調(diào)、控制拖動機組導(dǎo)葉開度、啟動機組勵磁電流，以及兩機組間的轉(zhuǎn)速差等參數(shù)；當SFC 變頻裝置、拖動機組、啟動機任一設(shè)備故障時，需要將故障信號作用于另一臺設(shè)備，同時停機，其中SFC 必須要求先封脈沖，后跳閘輸入斷路器，GCB 低頻階段（一般25 Hz 以下）不允許跳閘，需在機組滅磁完成后方可分閘。同期并網(wǎng)時不僅需要監(jiān)控被啟動機組的電壓、頻率、勵磁電流和導(dǎo)葉開度，還需同時調(diào)節(jié)控制拖動機組的轉(zhuǎn)速或SFC 頻率等，使得被啟動機組機端電壓、相序、相位、頻率滿足同期并網(wǎng)條件。水泵工況SFC 方式啟動并網(wǎng)和背靠背方式啟動并網(wǎng)不同于發(fā)電并網(wǎng)，并網(wǎng)電壓相序需要切換，同期裝置需設(shè)置多種同期模式；各機組在水泵工況啟動時需要同SFC 建立協(xié)調(diào)控制聯(lián)系，機組與機組互為拖動機，相互之間也需要建立協(xié)調(diào)控制關(guān)系。

為減少抽水工況啟動過程中的功耗,水泵方向啟動要對轉(zhuǎn)輪室進行充氣壓水，計算機監(jiān)控系統(tǒng)需完成壓水、回水、轉(zhuǎn)輪造壓等流程轉(zhuǎn)換控制，重點關(guān)注主壓水閥、補氣閥、蝸殼循環(huán)閥、蝸殼排氣閥、尾水管充水閥、頂蓋排氣充水閥、止漏環(huán)冷卻水閥，這7個閥門開啟、關(guān)閉的條件要可靠并冗余，必須設(shè)計可靠的參數(shù)作為轉(zhuǎn)換條件，提高轉(zhuǎn)換可靠性。

機組部分機械事故保護需要根據(jù)機組不同工況進行自動投入或退出；水機后備保護投退條件需要獨立采集；機組電氣保護部分閉鎖條件需要由計算機監(jiān)控系統(tǒng)開出。

4 某抽蓄電站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

某抽水蓄能電站共安裝4 臺單機容量300 MW混流可逆式抽水蓄能機組，其計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用現(xiàn)地控制器使用Control Builder 系統(tǒng)組態(tài)軟件的ABB Industrial IT。采用“雙星形”冗余網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)軟硬件按分層、分布式結(jié)構(gòu)配置，由現(xiàn)地控制單元、廠站控制層設(shè)備兩部分組成。各控制層之間采用OPC Server 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議構(gòu)建的自適應(yīng)千兆交換式冗余以太環(huán)網(wǎng)進行通信。

廠站控制層設(shè)備包含：主數(shù)據(jù)服務(wù)器、工作站、通信服務(wù)器、UPS 電源及模擬屏等設(shè)備。

現(xiàn)地控制單元設(shè)有8 套LCU，配置DI、DO、SOE、AI、AO、TI 等IO 模件，采集設(shè)備狀態(tài)、事故告警、溫度、壓力、電流、電壓等模擬量信號，開出操作控制命令等；有關(guān)機組間控制協(xié)調(diào)變量，視對信號實時響應(yīng)要求不同，重要性不同，或采用跳閘矩陣I/O點連接交換信息或利用總線通信在LCU 間交換信息；與勵磁、調(diào)速器等重要控制子系統(tǒng)采用I/O 點連接和通信冗余方式交換信息。

圖2 某抽蓄電站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5 某抽蓄電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的配置與功能

5.1 主數(shù)據(jù)服務(wù)器

主數(shù)據(jù)服務(wù)器為2 套，布置在計算機室，服務(wù)器型號為HP 580G7，配置主頻為2.0 GHz Intel Xeon E5620 CPU，32 GB RAM內(nèi)存，300 GB SAS硬盤2個，雙以太網(wǎng)自適應(yīng)千兆接口卡2 個。

2 臺主數(shù)據(jù)服務(wù)器工作以互為熱備方式進行，共同完成對整個電站設(shè)備的運行監(jiān)視控制任務(wù)，管理各類運行、控制、歷史數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)庫，計算和處理AGC/AVC 實時信息，生成各類圖表曲線以及分析處理事故、故障信號等。

5.2 工作站

工作站總計6 套，其中操作員工作站2 套，布置在中控室；值守工作站1 套，布置在地面值守室；遠方工作站1 套，布置于市區(qū)辦公區(qū)；工程師工作站1套，布置于計算機室；培訓(xùn)工作站1 套，布置于培訓(xùn)室。以上6 套工作站型號相同，均為HP Z820 工作站，CPU 為四核至強E5-2609，主頻為2.4 GHz，每套配置內(nèi)存為4.0 GB、硬盤為300 GB SAS 硬盤、雙以太網(wǎng)自適應(yīng)千兆接口卡。

2 套操作員工作站以雙機冗余互為熱備方式進行工作，實現(xiàn)對電站各設(shè)備系統(tǒng)的遠方監(jiān)控，調(diào)度管理及各數(shù)據(jù)的計算和處理等功能。2 套操作員工作站可同時工作和更新處理各類數(shù)據(jù)，1 臺為主工作站完成監(jiān)控任務(wù)，另1 臺正常監(jiān)視，當其中1 臺故障時，另外1 臺立即切換至主工作站。

值守工作站、遠方工作站作為遠期規(guī)劃以實現(xiàn)“無人值班”（少人值守），實現(xiàn)對電站各設(shè)備系統(tǒng)的監(jiān)控功能。工程師工作站主要用于系統(tǒng)開發(fā)、建立并完善數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)故障維護、歷史檢索等工作需求。培訓(xùn)工作站用于對有關(guān)人員提供與電站完全相同的設(shè)備操作、運行環(huán)境的培訓(xùn)、練習(xí)和講解等工作。

5.3 通信工作站

廠內(nèi)通信工作站共計1 套，對外通信工作站共計2 套，各通信工作站配置相同。均采用英特爾至強E5-2609 四核CPU 處理器，配置4.0 GB 內(nèi)存，2塊300 GB SAS 硬盤，雙以太網(wǎng)自適應(yīng)千兆接口卡。

廠內(nèi)通信工作站，用于實現(xiàn)與廠內(nèi)各有關(guān)子系統(tǒng)的通信。另外兩套對外通信工作站互為熱備用，實現(xiàn)電站系統(tǒng)與中調(diào)、網(wǎng)調(diào)間的網(wǎng)絡(luò)通信主信道搭建，配置1 套電力MODEM，用于與網(wǎng)調(diào)的備用信道。

5.4 歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器

歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器1 套，型號為HP 388G7，配置同通信管理機，另配有1 套磁盤陣列，采用HP StorageWorks P2000 G3 模塊化存儲陣列控制器，配置有300 GB SAS 硬盤4 塊，加上服務(wù)器自帶的兩塊300 GB SAS 硬盤，大致可以滿足電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)4～5 年歷史數(shù)據(jù)的保存。

5.5 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)主控層配置2 套德國赫斯曼Mice3000 交換機系統(tǒng)，現(xiàn)地控制層各LCU 均配置2 套德國赫斯曼RS2-FX/FX 工業(yè)以太網(wǎng)交換機。主交換機、各LCU 交換機通過光纖構(gòu)成雙星形全分布交換式自適應(yīng)千兆冗余以太網(wǎng)。2 套系統(tǒng)互為熱備用，同時收發(fā)傳輸信號，1 套故障不影響整個系統(tǒng)運行。

5.6 現(xiàn)地控制單元

現(xiàn)地控制單元共設(shè)8 套LCU。1～4 號LCU 分別用于4 臺機組監(jiān)視控制，包括相應(yīng)機組單元的勵磁、調(diào)速、發(fā)變組保護、進水閥、主變及冷卻系統(tǒng)等；5 號LCU 用于變頻啟動裝置（SFC）、500 kV GIS 和500 kV 線路以及水泵工況背靠背啟動、SFC 啟動跳閘矩陣功能，6 號LCU 用于全站公用設(shè)備，含油、氣、水系統(tǒng)，400 V，10 kV，事故照明，直流電源等設(shè)備；7 號LCU 用于上水庫，含相關(guān)閘門及其啟閉設(shè)備、水位測量、電源系統(tǒng)；8 號LCU 用于下水庫，含尾水事故閘門及其啟閉設(shè)備、水位水溫測量、地面通風(fēng)空調(diào)等相關(guān)設(shè)備。

電站現(xiàn)地控制器采用型號為PM866A 的ABB AC800M 控制器，133 MHz 主頻，64 M RAM，每套實現(xiàn)雙控制器、雙以太網(wǎng)接口冗余配置，配置了冗余的Modular 接口模件，與ABB S800 I/O 模塊配套通過本地Module 總線連接實現(xiàn)所有I/O 點信號采集與輸出，計算與處理。

機組LCU、開關(guān)站LCU 采用兩個雙CPU 的PM866A 冗余配置，機組LCU 另配備一個PM851A作為水機后背保護小PLC；其他LCU 采用一個雙CPU 的PM866A 冗余配置，各LCU 所配I/O 模件如表1 所示。

表1 各LCU I/O 模件的配置表

6 抽蓄電站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)主要特點

某抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)全面應(yīng)用冗余配置，監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置采用自適應(yīng)千兆雙星型冗余光纖網(wǎng)，系統(tǒng)設(shè)備均連接到兩個冗余網(wǎng)絡(luò)上，整個網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)清晰，方便檢修維護，集安全性、靈活性、可靠性為一體。機組、開關(guān)站現(xiàn)地控制單元采用兩個雙CPU 控制器冗余，其他現(xiàn)地控制單元采用單個雙CPU 控制器自冗余，其供電電源采用雙電源結(jié)構(gòu)。同期裝置在機組不同工況并網(wǎng)時采用自動準同期方式為主，手動同期方式備用。電站主控級、現(xiàn)地級各節(jié)點主設(shè)備采用雙機熱備冗余配置，如主數(shù)據(jù)服務(wù)器、機組LCU、開關(guān)站LCU、操作員及通信工作站、通信服務(wù)器等雙機熱備系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)備運行熱備份。

同時，該抽水蓄能電站的計算監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計選型時，充分考慮電站設(shè)備種類繁多，運行環(huán)境復(fù)雜，系統(tǒng)控制可靠性要求高的特點。采用了技術(shù)成熟度高，具有優(yōu)異性能和可靠性的ABB AC800M 控制器作為現(xiàn)地控制器，系統(tǒng)軟件采用ABB800xAPGP及ControlBuild，規(guī)避了一些易出故障環(huán)節(jié)，使得整個系統(tǒng)運行速度快，功耗低，可擴展性好，運行維護方便。由于大量采用冗余配置，當主設(shè)備故障時，可自行診斷并發(fā)出故障報文，同時無擾動切至備用設(shè)備，使系統(tǒng)繼續(xù)生產(chǎn)運行。極大地縮短了故障檢修時間，進一步提高了系統(tǒng)設(shè)備運行可用率，滿足了電力系統(tǒng)對抽水蓄能電站各功能隨調(diào)隨啟，即啟即用的苛刻的可靠性需求。

7 結(jié)語

抽水蓄能電站由于其在電力系統(tǒng)中具有調(diào)頻調(diào)相、調(diào)峰填谷、黑啟動、儲能，降低風(fēng)電、光伏等新能源消納對電力系統(tǒng)運行沖擊等一系列的特殊作用，電力系統(tǒng)對抽水蓄能電站運行提出了更高的要求。該抽水蓄能電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)充分采用了現(xiàn)代計算機控制各種先進技術(shù)，如開放性和可擴展性好、分層分布結(jié)構(gòu)、多重冗余技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)等，能實現(xiàn)容錯功能和系統(tǒng)冗余功能，最大程度地保證了電廠的安全、高效運行。該電站自全面投產(chǎn)以來，已連續(xù)運行6 年有余，電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)從未發(fā)生過引起非停的故障，設(shè)備缺陷也很少，系統(tǒng)運行安全、穩(wěn)定可靠，有力地保障了電站安全穩(wěn)定運行，有效促進了電站綜合自動化水平，也為電站的計算機監(jiān)控規(guī)劃設(shè)計及設(shè)備選型配置提供了參考。